電傳動技術是車輛實現全電化的重要基礎，電驅動系統是電動車輛的動力核心，而輪轂電驅系統是電驅動系統的終極驅動形式，輪轂電機的性能在輪轂電驅系統中具有決定性作用。隨著電機領域新原理、新材料和電機加工工藝的不斷發展，越來越多的新型電機拓撲結構和新工藝被提出和應用，有利于突破傳統輪轂電機的部分瓶頸問題。

每臺輪轂電機驅動的車輛中需要多臺輪轂電機，相比于集中驅動型車輛在成本方面處于劣勢。為了降低輪轂電機成本和對稀土這種國家戰略物資的消耗，通過降低永磁體中稀土的含量，實現永磁電機輕稀土化甚至無稀土化。但相比于傳統的稀土永磁電機，該類電機作為輪轂電機有幾點不足，磁體中較低的剩磁和較低的矯頑力，使得電機的轉矩密度和可靠性低于稀土永磁電機，增加了設計難度和轉子結構復雜性。

目前，在減少稀土用量方面主要有以下三種技術方案，分別為減少稀土用量、采用低成本稀土、無稀土永磁電機。

少稀土永磁電機是通過采用鐵氧體替代部分稀土永磁材料，進而降低稀土永磁材料用量，或者增加磁阻轉矩在轉矩貢獻中的占比減少稀土永磁體用量。江蘇大學汪雪將混合永磁材料與具有聚磁效應的輪輻式轉子相結合，研制了一臺功率為5 kW少稀土永磁無刷電機，如圖1所示，電機可以進行2～3倍過載，滿足電動汽車頻繁起停的車況要求。電機永磁體采用釹鐵硼和鐵氧體結合，一方面減少了釹鐵硼永磁體的用量，且控制了成本；另一方面，兩種永磁體并聯，較單獨使用鐵氧體時不僅提高了電機轉矩，同時提高了電機的抗退磁能力。

圖1 少稀土輪輻式永磁無刷電機

根據磁障轉子的高凸極比的特性，日本東北大學的S. Ishii等提出了組合勵磁外轉子永磁電機。電機轉子采用外轉子結構，如圖2所示，靠近定子側為稀土永磁體，遠離定子的永磁體為鐵氧體。該電機相比于普通外轉子V字型稀土永磁電機稀土用量減少50%，降低了成本，同時轉矩提升了1.21倍，其轉矩提升主要是增加了電機的凸極比。

圖2 磁障式外轉子少稀土永磁電機

基于一字型內置永磁同步電機，A. Yamada等提出了兩種新結構少稀土永磁電機，如圖3所示。模型1的輸出轉矩可以達到普通型永磁電機轉矩的91.6%，且其稀土材料用量減少了超過50%。模型2輸出轉矩可達到96.3%普通永磁電機額定轉矩，極限轉速可以超過9000 r/min。

圖3 多向充磁少稀土永磁電機

輕稀土永磁電機的另一種技術是采用低成本的稀土材料，減少貴重稀土元素的消耗，最常用的是無Dy釹鐵硼技術，該種材料由于不含Dy元素，導致永磁體的剩磁或矯頑力其中一項參數很低。永磁電機可以通過采用spoke等聚磁結構，達到與常規永磁電機相當的性能。

比輕稀土更近一步的是無稀土，主要技術方向有兩個，分別為：將非稀土元素完全取代稀土元素，鐵氧體作為助磁的同步磁阻電機，電機電磁轉矩主要由磁阻轉矩貢獻；開關磁阻電機，完全不需要磁體。針對鐵氧體助磁的同步磁阻電機，提升永磁電機輸出轉矩有兩種方案，分別是提升電機的磁阻轉矩和永磁轉矩。

為了提高無稀土永磁電機的永磁轉矩，W. Kakihara等采用具有聚磁功能的spoke型轉子結構和提高電機鐵氧體用量的方案。由于鐵氧體的矯頑力較低，該電機設計時需要提高電機抗退磁能力。

為了提高電機的抗退磁能力，主要采取了以下幾種方法：通過增加電機旁路漏磁減少穿過永磁體的退磁磁通；通過降低d軸磁導，提高電機的凸極比，提高電機轉矩輸出能力；采用分布繞組，降低電機d軸電感；采用定轉子鐵心不等長結構，同時永磁體凸出轉子鐵心的結構，在提高電機轉矩的同時，提高了磁體外邊緣的抗退磁能力，永磁體的退磁率為0.34%，低于目標0.5%，且最大轉矩超過目標值。

以2003豐田普銳斯電機指標為設計目標，日本大阪府立大學S. Morimoto等提出了一種新型的永磁同步磁阻電機，電機轉子結構如圖4所示。電機的磁路結構基于磁障式磁阻轉子，在磁障中添加鐵氧體進行助磁，提高了電機電磁轉矩。該電機轉子具有較高的機械強度，可以承受較高的轉速。在抗退磁方面，通過電機磁橋和旁路為弱磁磁場提供磁通路徑，提高電機的抗退磁能力。

圖4 永磁輔助同步磁阻電機轉子結構

無稀土永磁電機在提高磁阻轉矩和永磁轉矩時，增加了電機凸極比以及永磁體用量，降低d軸電感，進而降低了電機的弱磁擴速能力，使得電機調速范圍變窄。為了克服非稀土永磁電機調速范圍窄的問題，S. I. Kim等提出了一種分列式輪輻狀鐵氧體電機，轉子基于傳統的輪輻結構，將一塊永磁體分成不等寬的兩部分，如圖5所示，在保證鐵氧體用量不變的情況下，增加了電機d軸電感強度，拓寬了電機的轉速運行范圍。

圖5 分列式spoke轉子結構

本文摘編自電工技術學報，原文標題為“永磁輪轂電機技術發展綜述”。